高壓中冷EGR對直噴增壓發(fā)動機(jī)油耗影響的試驗(yàn)研究

徐蔡舟 劉杰 王榮吉 王立新 尹建民

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司上海201201）

高壓中冷EGR對直噴增壓發(fā)動機(jī)油耗影響的試驗(yàn)研究

徐蔡舟 劉杰 王榮吉 王立新 尹建民

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司上海201201）

基于某一直噴增壓發(fā)動機(jī)，研究了EGR對發(fā)動機(jī)小負(fù)荷油耗的影響。結(jié)果表明：在改善油耗方面，原發(fā)動機(jī)使用進(jìn)氣門晚關(guān)策略優(yōu)于使用內(nèi)部EGR策略；在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工作區(qū)域，外部中冷EGR對油耗的貢獻(xiàn)主要來自于降低了泵氣功，但是過多的EGR氣體引入容易導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)；使用高壓EGR時，最佳的進(jìn)排氣VVT角度與無EGR時相同。

高壓EGR泵氣功增壓直噴

引言

EGR技術(shù)長期以來應(yīng)用在柴油機(jī)上用于降低燃燒溫度進(jìn)而降低NOx排放。隨著能源與環(huán)境問題日益嚴(yán)重，世界各國制定了更為嚴(yán)格的汽車排放和燃料經(jīng)濟(jì)性法規(guī)[1，2]，使得汽油機(jī)逐漸向小型化的方向發(fā)展，緊湊型和高功率密度的渦輪增壓汽油機(jī)逐漸在市場上流行起來。然而，由于渦輪增壓汽油機(jī)功率密度的增大，發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷下發(fā)生爆震燃燒和排氣溫度過高，一定程度上限制了發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步改善。因此，中冷EGR技術(shù)在當(dāng)前汽油機(jī)上也逐漸得到了廣泛的研究應(yīng)用，有部分主機(jī)廠已經(jīng)開始了批量化生產(chǎn)[3～5]。與柴油機(jī)使用中冷EGR的主要目的不同，汽油機(jī)上中冷EGR技術(shù)應(yīng)用主要是提高燃油經(jīng)濟(jì)性，其次是降低NOx排放[6]。汽油機(jī)采用EGR以后，為了確保同樣的功率和扭矩輸出，必須提高進(jìn)氣的密度來增加進(jìn)氣量，從而使得節(jié)氣門開度與無EGR時相比增大，達(dá)到降低泵氣功的作用；此外，EGR氣體的引入可以起到抑制爆燃的作用，降低缸內(nèi)最高溫度，減少傳熱損失等，這些作用均能夠提高汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

EGR有多種實(shí)現(xiàn)形式，本文主要討論外部中冷EGR系統(tǒng)。外部EGR系統(tǒng)由EGR管路、EGR閥和冷卻器（冷卻EGR）組成。EGR氣體通過EGR閥和冷卻器進(jìn)入進(jìn)氣歧管，冷卻液通過EGR冷卻器對廢氣進(jìn)行冷卻，通過調(diào)節(jié)EGR閥開度獲得不同的EGR率。為承受高溫的廢氣，EGR管路的材料大多使用不銹鋼。外部EGR利用專門EGR管道將一部分廢氣引入進(jìn)氣管，使廢氣和新鮮空氣在充分混合均勻后再進(jìn)入氣缸。

此種方式在增壓發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，根據(jù)進(jìn)排氣管連接方式分為低壓EGR（LP-EGR）、中壓EGR（MP-EGR）和高壓EGR（HP-EGR）。低壓EGR是直接連接壓氣機(jī)的入口端和廢氣渦輪出口端來實(shí)現(xiàn)EGR。由于壓氣機(jī)的入口為負(fù)壓，廢氣渦輪的出口壓力為正，因此很容易實(shí)現(xiàn)EGR。高壓EGR即直接連接進(jìn)氣歧管和廢氣渦輪入口段來實(shí)現(xiàn)EGR。中壓EGR即直接連接壓氣機(jī)出口和廢氣渦輪入口段來實(shí)現(xiàn)EGR。從應(yīng)用角度來說，各種系統(tǒng)都有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文將以某一直噴增壓發(fā)動機(jī)為原型，在原機(jī)基礎(chǔ)上增加高壓EGR系統(tǒng)，同時通過額外的EGR控制模塊，對EGR率進(jìn)行控制，研究了高壓EGR系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)油耗的改善。

1 試驗(yàn)裝置和方法

本文所研究對象為一臺1.4T直噴發(fā)動機(jī)，原機(jī)基本參數(shù)如下表1所列。使用AVL 733s油耗儀，具有連續(xù)測量能力的動態(tài)油耗儀，可以用于發(fā)動機(jī)臺架瞬態(tài)測試和動態(tài)測試，同時也可以用于穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)臺折合為一定時間的油耗量。使用AVL622燃燒分析儀對缸內(nèi)壓力進(jìn)行實(shí)時采集和分析。使用排放分析儀Horiba7100 DEGR測試設(shè)備對發(fā)動機(jī)的排放進(jìn)行測試分析，同時通過采集渦前和進(jìn)氣歧管（EGR氣體混合后）CO2濃度進(jìn)行比較分析實(shí)際的EGR率。計算公式為：

表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

其中：CO2int即EGR管路和新鮮空氣混合后的氣體CO2濃度；

CO2exh即發(fā)動機(jī)尾氣里的CO2濃度；

CO2bkg即空氣里的CO2濃度。

EGR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示。

圖1 高壓EGR系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min，平均有效壓力BMEP為0.3 MPa，過量空氣系數(shù)為1.0．其中BMEP、指示熱效率（ηit）和循環(huán)變動率（Rcov，IMEP）的表達(dá)式如下：

式中：T為發(fā)動機(jī)的輸出扭矩；τ為發(fā)動機(jī)的沖程數(shù)，V為每缸工作容積；i為缸數(shù)；Q為得到指示功Wi所消耗的熱量；σIMEP為平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差；PIMEP為平均指示壓力的平均值。

2.1 進(jìn)排氣相位角對發(fā)動機(jī)油耗的影響（無外部EGR）

下圖2顯示的是固定排氣門關(guān)閉角（EVC=24° CA ATDC），調(diào)整進(jìn)氣門開啟角，角度越大意味著進(jìn)氣門開啟越晚；同樣也意味著，進(jìn)氣門關(guān)閉得越晚。可以看出隨著進(jìn)氣門晚開，發(fā)動機(jī)的比油耗隨之下降，但是20°CA TDC后，比油耗的下降則不明顯。

圖2 進(jìn)氣相位角對比油耗的影響

圖3 進(jìn)氣相位角對比油耗的影響

為深入分析油耗變化的原因，如圖3所示同時比較泵氣功PMEP和COV隨進(jìn)氣相位的變化。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)氣門晚開，泵氣功出現(xiàn)先增大后變??；COV則隨進(jìn)氣門晚開，出現(xiàn)明顯下降后，也出現(xiàn)小幅上升。從PMEP的變化可以看出，IVO變小，實(shí)現(xiàn)了較多的內(nèi)部EGR，降低了泵氣功；隨著IVO變大，進(jìn)氣門晚關(guān)，實(shí)現(xiàn)了弱阿特金森循環(huán)，降低了壓縮功，減少了泵氣功。對比COV可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)在實(shí)現(xiàn)較大的內(nèi)部EGR時，由于燃燒不穩(wěn)定，所以不僅沒有帶來油耗上的收益，甚至出現(xiàn)了惡化；同時弱阿特金森循環(huán)雖然降低了泵氣功，但COV也出現(xiàn)了小幅的上升，抵消了部分泵氣功的收益，從而在油耗上沒有出現(xiàn)明顯的下降。

圖4顯示了排氣相位對發(fā)動機(jī)油耗的影響。固定進(jìn)氣門開啟角為44°CA ATDC，調(diào)整排氣門關(guān)閉角，從圖中可以看出隨著排氣門晚關(guān)，發(fā)動機(jī)的比油耗先出現(xiàn)小幅上升后持續(xù)下降。

圖5比較了PMEP和COV隨排氣相位角變化的情況。從圖中可以看出，泵氣功隨著EVC的增加先變大后變小。隨著EVC的變化，COV也出現(xiàn)了波動，但總體變化不大，比油耗的變化與泵氣功變化一致，泵氣功的減少對比油耗影響明顯。

原發(fā)動機(jī)最佳比油耗的相位角為進(jìn)氣相位角44°CA ATDC左右，排氣相位角24°CA ATDC左右，如圖6所示。

圖4 進(jìn)氣相位角對比油耗的影響

圖5PMEP和COV隨排氣相位角變化

圖6 進(jìn)排氣的最佳相位角

2.2 外部中冷EGR對油耗的影響

前述2.1部分研究了原機(jī)VVT相位角對發(fā)動機(jī)比油耗的影響，了解了發(fā)動機(jī)內(nèi)部EGR和推遲進(jìn)氣門關(guān)閉角對發(fā)動機(jī)油耗的影響。本節(jié)則基于此，研究外部中冷EGR對該工況點(diǎn)的油耗影響。固定轉(zhuǎn)速1500 r/min，BMEP為0.3 MPa，控制EGR閥，來調(diào)整EGR率。

圖7顯示了固定EGR率約為9%，分別調(diào)整VVT，比較VVT對發(fā)動機(jī)比油耗的影響。可以發(fā)現(xiàn)最佳進(jìn)氣相位角為44°CA ATDC，排氣相位角為24°CA ATDC。與原機(jī)的最佳相位角非常地接近。使用外部冷卻EGR，相比無外部EGR的最佳進(jìn)排氣相位角，其最佳相位角基本一致。

圖7比油耗隨進(jìn)排氣相位角變化

圖8 比較了不同EGR率對發(fā)動機(jī)比油耗的影響?？梢钥闯鍪褂猛獠縀GR后，油耗有一定的改善。在EGR率為9%時，比油耗降低了近1%。試驗(yàn)中EGR率再進(jìn)一步提高時，COV大于要求值3%，燃燒極為不穩(wěn)定，無法進(jìn)行測試。這主要是由于過多的EGR氣體進(jìn)入燃燒室，使得混合氣燃燒過慢，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。

圖8EGR率對發(fā)動機(jī)比油耗的影響

圖9 比較了EGR對發(fā)動機(jī)泵氣功的影響?？梢钥闯鲭S著EGR率的升高，泵氣功下降。在該工況下，試驗(yàn)中節(jié)氣門開度并未增大，所以該泵氣功得益于發(fā)動機(jī)排氣背壓的下降，有利于發(fā)動機(jī)油耗的降低。

發(fā)動機(jī)在小負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工況下，隨著冷卻EGR氣體更多的引入氣缸，燃燒變得不穩(wěn)定；相比原機(jī)，EGR率為9%時，為維持穩(wěn)定的燃燒，目標(biāo)COV小于3%，點(diǎn)火提前角從36°CA調(diào)整為49°CA，燃燒持續(xù)期略有增加。

3 結(jié)論

圖9EGR對發(fā)動機(jī)泵氣功的影響

1）基于本機(jī)的研究，在改善油耗方面，該直噴發(fā)動機(jī)在低速小負(fù)荷區(qū)域使用進(jìn)氣門晚關(guān)策略（弱阿特金森循環(huán)）比使用內(nèi)部EGR更有效，主要受限于過多的內(nèi)部EGR氣體使得燃燒不穩(wěn)定，不利于油耗改善。

2）使用高壓EGR時，進(jìn)排氣的最佳相位角與原機(jī)最優(yōu)相位角基本一致。

3）低速小負(fù)荷時，存在足夠的壓差實(shí)現(xiàn)更大的EGR率。但是，過多的EGR氣體使得燃燒過慢，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，不利于油耗進(jìn)一步改善。高能點(diǎn)火對擴(kuò)展EGR率有一定的幫助，從而可以進(jìn)一步改善油耗。

4）低速小負(fù)荷工況，在正壓力控制廢氣旁通閥增壓器的發(fā)動機(jī)上，高壓中冷EGR對油耗有一定的改善，這些改善主要來自于降低泵氣功的收益。

5）小負(fù)荷部分低轉(zhuǎn)速工況下，冷卻EGR氣體的引入使得燃燒過慢，使得點(diǎn)火提前角變大，對A50并無過多影響。

1周龍保，劉巽俊，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

2魏春源，張衛(wèi)正，葛蘊(yùn)珊.高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001

3樊志卿.汽車排放法規(guī)與發(fā)動機(jī)控制技術(shù)[J].上海標(biāo)準(zhǔn)化,2002（5）：38～44

4Liu Zhimin，David Cleary.Fuel consumption evaluation of cooled external EGR for a downsized boosted SIDI DICP engine[C].SAE Paper 2014-01-1235

5Song Dongxian，Jia Ning，Guo Xiangyang.Low pressure cooled EGR for improved fuel economy on a turbocharged PFI gasoline engine[C].SAE Paper 2014-01-1240

6彭海勇.EGR對柴油機(jī)起動過程燃燒排放性能影響的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010

Experimental Study of High Pressure Inter-Cooler EGR on Fuel Consumption of Direct Injection Spark Ignition Turbocharged Engine

Xu Caizhou,Liu Jie,Wang Rongji,Wang Lixin,Yin Jianmin
Pan Asia Technical Automotive Center(Shanghai,201201,China)

An experimental investigation of exhaust gas recirculation(EGR)on fuel consumption of a spark ignition direct inject turbocharged engine under low load is carried out.The results showed operation with intake valve later closure strategy is better than that with inner EGR to improve fuel consumption on this engine.In part load with low speed condition,the high pressure EGR is contributed to fuel consumption which is mainly from low pump loss,but overfull EGR gas easily causes combustion instability.Optimized VVT phases with EGR are the same as without EGR.

High pressure EGR,Pump loss,Direct injection turbocharged engine

TK464

A

2095-8234（2014）06-0013-04

2014-11-14）

徐蔡舟（1979—），男，大學(xué)本科，主要從事發(fā)動機(jī)的性能集成和開發(fā)。